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電子產(chǎn)品設計的EMI輻射分析及解決對策

發(fā)布時間:2014-12-25 責任編輯:sherryyu

【導讀】是不是遇見這樣的問題:開關電源芯片在同時工作,器件均為開關工作方式,提高了工作效率,同時引入了輻射問題?這是電子產(chǎn)品設計過程中的常見問題,那么如何解決呢?這里結(jié)合一個便攜式音頻產(chǎn)品實例,教大家如何分析emi輻射難題和找到對策解決。
 
小功率便攜式電子產(chǎn)品目前常用鋰電池和Boost(Buck)芯片給MCU、Audio以及顯示屏等器件供電。此類產(chǎn)品通常使用適配器供電,設計要求充電部分工作時,必須通過測試并符合 EMC標準。一般來說,為了提高系統(tǒng)工作效率,鋰電池充電芯片都是基于開關工作方式,類似一個開關電源,另外,可能其他的開關電源芯片在同時工作,器件均為開關工作方式,提高了工作效率,同時引入了輻射問題,這也是電子產(chǎn)品設計過程中的常見問題。本文基于一個產(chǎn)品設計實例(用BQ24133單電池充電電路和LM3478升壓電路),對設計過程中曾經(jīng)遇到的輻射難題進行了詳盡的分析。確定騷擾源,找出耦合路徑,最終給出解決問題的方法,以供大家作參考。
 
1.便攜式音頻產(chǎn)品電源系統(tǒng)介紹

1.1 背景
 
實際的產(chǎn)品開發(fā)中,便攜式產(chǎn)品的EMI測試是用適配器給產(chǎn)品充電,有其他外接設備連接也需要在測試時接上。下面以一個實際產(chǎn)品的開發(fā)為例,說明這類產(chǎn)品設計的EMI設計要注意的問題,以及遇到輻射發(fā)射超標,如何來分析問題產(chǎn)生的原因。并找出解決問題的辦法。
 
1.2 音頻產(chǎn)品供電回路
 
如下圖1是一個Audio產(chǎn)品的電源部分的原理圖,這個產(chǎn)品有一個charger芯片BQ24133,在這個應用中設置最大充電電流2A。有一個Boost芯片LM3478,把電池電壓升壓到10V給Audio 芯片供電,滿載電流1A,另外一個Boost芯片LM3478,把電池電壓升到5V,給iphone或者 ipad充電,最大電流2A。適配器的直流輸出線規(guī)格是1.5米,手機充電的電源線約0.5米,整個PCB板面積大概12mm×8mm,設計為兩層板。
Audio供電回路圖
圖1:Audio供電回路圖
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2. EMI問題分析
 
2.1 EMI問題的產(chǎn)生
 
這類便攜式產(chǎn)品要求通過標準EN55022,Class B。這個產(chǎn)品的初版樣機在輻射發(fā)射測試時(未接手機),輻射發(fā)射30M到300M頻段嚴重超標,在200MHZ左右,超標20DB以上。
 
2.2 分析輻射發(fā)射超標的原因:
 
首先,先分析輻射超標產(chǎn)生的原因,我們知道EMC三要素,騷擾源,耦合路徑和敏感設備。這個產(chǎn)品中開關方式工作的器件無疑是騷擾源,也就是BQ24133(開關頻率1.6MHZ)和兩個 LM3478(開關頻率400KHZ)。再看耦合路徑,30M到300M頻段對應的波長是一米到十米,如果要發(fā)射一定波長的電磁波,需要一根發(fā)射天線,成為天線的必要條件是長度至少要大于波長的二十分之一,當天線是電磁波半波長的整數(shù)倍時,發(fā)射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導線就是幾根外接線,最有可能的是適配器的直流電源線和地線。分析layout 設計,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計時,只用了一個地,在整個PCB的兩層均大面積鋪地,并且與適配器的地線連接在一起,加上手機的充電導線,構(gòu)成一根超過兩米長的地線。另外BQ24133充電電路和兩個LM3478的升壓電路底下也是大面積的鋪地,造成高頻干擾直接耦合到地平面,通過長的地線發(fā)射出來。
 
3. 解決問題的辦法:
 
針對以上分析,做了整改。由于是便攜式音頻設備,沒有PE線,無法使用Y電容,客戶也不希望使用共模電感增加成本,所以主要優(yōu)化layout。采取了以下措施:
 
3.1 Layout注意事項:
 
1)將每個電源回路梳理,將模擬地和數(shù)字地分開,每個單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數(shù)字地和模擬地分開走線,在芯片下通過一個0歐姆電阻的單點接。另外,BQ24133的功率地最好跟整個產(chǎn)品的地適當分割,單點連接。
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2)減小諧波回路面積,對LM3478,如圖,MOS管開通時,Cin,L和MOS構(gòu)成一個回路對電感充電,請看圖2(a)的Cycle1。MOS管關斷時,Cin,L,D,Cout構(gòu)成另一個回路對電感放電,請看圖2(b)中的 Cycle2。對于二極管D,交替工作在正向?qū)ê头聪蚪刂沟臓顟B(tài),因此,有很高的反向恢復尖峰電壓,需要在二極管兩端加Snubber電路來抑制這個尖峰電壓,以避免產(chǎn)生過大的共模噪聲。這兩個回路的工作頻率是MOS的開關頻率,諧波分量大,布板時要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個功率回路的器件靠近放置,走大銅皮寬走線,減小開關頻率諧波的回路阻抗。
LM3478工作原理圖
圖2:LM3478工作原理圖
 
BQ24133實質(zhì)是一個Buck回路。也有類似的問題。請看圖3,BQ24133工作原理圖,輸入電容C1,整流管開通,續(xù)流管關斷,整流管電感和負載構(gòu)成一個高頻回路,有很高的dI/dT。另外,整流管關斷,續(xù)流管開通時,電感電流通過續(xù)流管續(xù)流(在重載時續(xù)流管工作在電感電流連續(xù)模式), 電感電流沒有減小到零時整流管又會開通,這是續(xù)流管被強制加反向電壓而截止,產(chǎn)生很高的反向恢復電壓尖峰(雖然是同步整流,由于死區(qū)的存在,死區(qū)時間內(nèi)仍然是二極管整流),這會導致比較大的共模噪聲,所以需要在SW對PGND加Snubber電路來抑制續(xù)流管的反向尖峰。因此,輸入濾波電容C1、電感L1和輸出濾波電容C2應盡量靠近芯片布置,減小高頻回路面積。功率回路走線應走大銅皮寬走線,減小諧波阻抗,最好都布置在PCB的同層,Snubber放置在緊靠下管的位置。
BQ24133高頻電流回路圖
圖3:BQ24133高頻電流回路圖
 
總的來說,LM3478和BQ24133的輸入輸出走整塊大銅皮,將輸入電容和輸出電容緊靠功率開關管,使回路圍成的面積最小。選擇ESR較小的電容,由于成本原因,這類產(chǎn)品用的電容都比較差,這個項目原來用電解電容,建議多增加些瓷片電容組合使用,這樣在低成本下獲得好的效果。這樣使輸入輸出的開關頻率的諧波回路盡量小,諧波阻抗盡量小,可以減小回路對外的輻射干擾。
 
3) 上面提到在BQ24133的下管加Snubber電路(加在SW和PGND之間),在LM3478的續(xù)流二極管加Snubber電路。Snubber電路緊貼開關管管腳,加寬走線,高頻諧波就近旁路。 首先可以先預放一個2-3ohm的電阻,電容取500-1000pF。在輻射測試中,如果裕量不足或者超規(guī)格,就適當增加RC,以吸收更多的高頻能量,如果裕量過大,應減小RC的值以提高效率。
 
4) 對于兩層板來說,將電感和MOS等功率器件和功率器件之間走線下面的GND銅皮去掉或者減小。降低開關管到GND的分布電容,減小共模耦合。
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3.2 其他注意事項
 
3.2.1 布局
 
一般來說,如果條件允許,盡可能把電源回路跟其他電路在布局上適當分開。例如,把電源類器件布置在PCB左側(cè),跟其他電路適當留隔離帶。輸出線和端子盡量遠離開關管,電感等器件。在諧波較大的回路上,注意PCB走線避免用銳角,盡量倒鈍角或走圓角。
 
3.2.2 共模電感的使用
 
對于多節(jié)電池,充電功率增加,電池輸出線盡量減小長度,避免電池線變成輻射天線。另外,可考慮適當增加共模電感來抑制電池線共模干擾。
 
3.2.3 測試注意事項
 
建議客戶輻射測試時用蓄電池加1.5米線做輸入源,排除Adapter造成的干擾。另外,測試中調(diào)整Snubber參數(shù),在效率和EMI中取得一個平衡點,RC的值不能加的過大,以免導致IC 過熱。所以,干擾源噪聲比較大時,要考慮多種措施同時使用,以取得最優(yōu)的效果。
 
4.結(jié)論:
 
經(jīng)過整改后,優(yōu)化了layout,順利通過了輻射測試。從這個項目,總結(jié)一些經(jīng)驗。首先,確定騷擾源和發(fā)射天線,增加Snubber電路吸收騷擾源的高頻諧波。其次, 判斷耦合路徑,重點通過優(yōu)化layout,使諧波就近通過電容旁路,減少騷擾源的高頻騷擾到外接長線的耦合。EMC設計的本質(zhì),就是如何處理好諧波的問題。
 
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